گاز هیدروژن چگونه تولید می شود ؟

گاز هیدروژن یکی از عناصر کلیدی در صنایع مختلف است. این گاز سبک، بی‌رنگ و بی‌بو بوده و کاربردهای فراوانی در تولید سوخت، صنایع شیمیایی و فناوری‌های نوین دارد. روش‌های مختلفی برای تولید گاز هیدروژن وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. انتخاب روش مناسب به عواملی مانند منابع در دسترس، هزینه تولید و میزان آلودگی زیست‌محیطی بستگی دارد. در سال‌های اخیر، توجه ویژه‌ای به روش‌های پاک و پایدار برای دستیابی به این گاز ارزشمند شده است.

روش تولید گاز هیدروژن

در جواب این سوال که گاز هیدروژن چگونه تولید می شود ، می توان به 4 روش تولید هیدروژن در خانه و آزمایشگاه اشاره کرد که در ادامه اشاره خواهیم کرد.

الکترولیز آب

یکی از ساده ترین روش‌ها برای دستیابی گاز هیدروژن خالص، گرفتن آن از آب است. در این روش با استفاده از روش برقکافت یا الکترولیز که آب را به مولکول های هیدروژن و اکسیژن می‌شکند، هیدروژن تولید می‌شود. برای اینکار به آب، باتری 9 ولتی و دو عدنن گیره کاغذ نیاز است.

گیره‌های کاغذ را به صورت سیم صاف در بیاورید و سر هر کدام را به یک قطب باتری وصل کنید. انتهای آزاد سیم‌ها درون آب قرار دهید. از انتهای دو سیم حباب‌های تولید می‌شود که درون آن هیدروژن وجود دارد. سیمی که حباب بیشتری تولید می‌کند در حال آزاد کردن هیدروژن خالص است و سیم دیگر اکسیژن آزاد می کند. اگر شک دارید که کدام گاز هیدروژن است می‌توانید با شعله فندک آن را امتحان کنید. گاز هیدروژن آتشگیر است ولی اکسیژن آزاد شده نمی‌سوزد. البته در این کار احتیاط کنید.

مزایا

در صورتی که برای الکترولیز، برق مصرفی از منابع تجدیدپذیر تأمین شود، این فرآیند به تولید هیدروژن سبز منجر خواهد شد. همچنین، برخلاف برخی از روش های تولید گاز هیدروژن، در این روش نیازی به استفاده از سوخت‌های فسیلی ندارد و گازهای گلخانه‌ای منتشر نمی‌شوند.

معایب

یکی از چالش‌های اصلی این فرآیند، مصرف بالای انرژی الکتریکی است که می‌تواند هزینه تولید را افزایش دهد. تجهیزات مورد استفاده در الکترولیز نیز نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بالایی دارند. علاوه بر این، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن تولیدشده نیازمند زیرساخت‌های مناسب است.

مخلوط اکسیژن هوا (o2) و گاز هیدروژن می‌تواند بسیار آتشگیر باشد. به همین دلیل باید گاز هیدروژن آزاد شده را به روش های مخصوص در ظرفی جمع آوری کرد که هوا با آن مخلوط نشود.

گرافیت

برای افزایش بازده تولید گاز هیدروژن می توانید از گرافیت به عنوان الکترود استفاده کنید. گرافیت الکترود خوبی است زیرا از نظر الکتریکی خنثی است و طی واکنش برقکافت حل نمی شود. نمک نیز برای افزایش بازده استفاده می شود.

برای اینکار به دو عدد مداد، نمک، مقوا، آب، دو گیره کاغذ یا سیم رسانا و باتری (1.5 ولت یا بیشتر) نیاز دارید.

دو سر مداد ها را بتراشید تا گرافیت درون آن مشخص شود. از مقوا برای صاف نگه داشتن مداد ها در آب استفاده کنید. آب را با نمک مخلوط کنید و مداد ها را درون آن قرار دهید. به انتهای بالایی مداد ها سیم وصل کرده و سر دیگر آن را به قطب های باتری برسانید تا گاز هیدروژن برای شما تولید شود.

واکنش هیدروکلریک اسید با فلز

از واکنش هیدروکلریک اسید با فلز روی نیز گاز هیدروژن تولید می شود. حباب هایی که از واکنش این دو ماده پدید می آید حاوی هیدروژن خالص است. البته اگر از این روش استفاده می کنید دقت کنید که هیچچ تماسی با اسید نداشته باشید. زیرا هیدروکلریک اسید بسیاری قوی و سوزاننده است.

واکنش سدیم هیدروکسید (سود) با آلومینیوم

واکنش سدیم هیدروکسید (سود) با آلومینیوم یکی از روش های ساده برای تولید گاز هیدروژن در آزمایشگاه است. دقت کنید که این واکنش گرما زا است و ظرف حاوی این دو ماده ممکن است خیلی داغ شود.

فرایند اصلاح بخار متان

فرایند اصلاح بخار متان (SMR) یکی از مهم‌ترین روش‌های صنعتی برای استخراج هیدروژن محسوب می‌شود. سادگی، بازدهی بالا و هزینه‌های کمتر نسبت به سایر روش‌ها، آن را به گزینه‌ای محبوب در صنایع مختلف تبدیل کرده است. اصلاح بخار متان شامل دو مرحله اصلی است. ابتدا، متان با بخار آب در حضور یک کاتالیزور نیکل واکنش داده و منجر به تولید هیدروژن و مونوکسید کربن می‌شود:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

در مرحله دوم، مونوکسید کربن با بخار آب واکنش داده و دی‌اکسید کربن و هیدروژن بیشتری تولید می‌شود:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

این واکنش‌ها در دمایی بین ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شوند.

فرآیندهای شیمیایی

این فرآیندها شامل واکنش‌های مختلفی میان فلزات و اسیدها یا استفاده از جریان الکتریکی برای تجزیه آب هستند. برخی از این روش‌ها به دلیل بازدهی بالا و هزینه کمتر، در آزمایشگاه‌ها و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایا

یکی از مهم‌ترین مزایای این روش‌ها، دسترسی آسان به مواد اولیه است. واکنش بین اسیدها و فلزاتی مانند روی یا آلومینیوم، هیدروژن خالص تولید می‌کند. همچنین، آزمایش تولید گاز هیدروژن با برقکافت آب، روشی پاک و بدون تولید گازهای گلخانه‌ای محسوب می‌شود.

در برخی موارد، افزودن نمک یا استفاده از گرافیت به‌عنوان الکترود می‌تواند بازده واکنش را افزایش دهد. این کار باعث می‌شود که جریان الکتریکی بهتر منتقل شده و سرعت تولید هیدروژن بیشتر شود.

معایب

برخی از این واکنش‌ها خطرناک هستند و نیاز به دقت بالایی دارند. استفاده از اسیدهای قوی مانند هیدروکلریک اسید ممکن است منجر به سوختگی شدید شود. همچنین، واکنش فلز آلومینیوم با سدیم هیدروکسید گرمازا بوده و می‌تواند باعث افزایش دمای محلول شود.

به طور کلی انتخاب بهترین فلز برای تولید هیدروژن به فاکتورهایی مانند واکنش‌پذیری و هزینه بستگی دارد. فلزاتی مانند روی و آلومینیوم به دلیل در دسترس بودن و واکنش مناسب، گزینه‌های پرکاربردی هستند. با این حال، برخی از فلزات گران‌قیمت‌تر ممکن است بازدهی بیشتری داشته باشند؛ اما در مقیاس صنعتی مقرون‌به‌صرفه نیستند.

گازسازی زغال سنگ

گازسازی زغال‌سنگ یکی از روش‌های مهم برای تولید گازهای قابل‌احتراق از زغال‌سنگ است که در صنایع مختلف کاربرد دارد.

مزایا

این روش امکان استفاده از زغال‌سنگ‌های کم‌کیفیت را فراهم می‌کند. تولید گاز سنتزی شامل هیدروژن، مونوکسید کربن و متان از زغال‌سنگ، گزینه‌ای مناسب برای تولید سوخت‌های گازی و مواد شیمیایی محسوب می‌شود. همچنین، این فرآیند می‌تواند در نیروگاه‌ها برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد.

معایب

یکی از معایب اصلی این روش، تولید گازهای گلخانه‌ای است که به آلودگی محیط‌زیست منجر می‌شود. زیرساخت‌های موردنیاز برای این فرآیند پیچیده و هزینه‌بر هستند. علاوه بر این، استخراج و حمل‌ونقل زغال‌سنگ باعث تخریب منابع طبیعی و افزایش آلودگی هوا می‌شود.

با وجود چالش‌های زیست‌محیطی، گازسازی زغال‌سنگ همچنان در برخی کشورها به دلیل منابع غنی زغال‌سنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بیوگاز

بیوگاز نوعی گاز قابل‌احتراق است که از تجزیه مواد آلی توسط میکروارگانیسم‌ها در شرایط بی‌هوازی تولید می‌شود.

مزایا

استفاده از بیوگاز به کاهش زباله‌های آلی و آلودگی محیط‌زیست کمک می‌کند. این گاز یک منبع تجدیدپذیر انرژی است که می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. علاوه بر این، تولید بیوگاز، ایجاد کود آلی مفید برای کشاورزی را در پی دارد.

معایب

فرآیند تولید بیوگاز نیازمند تجهیزات خاص و هزینه اولیه بالا است. سرعت تولید گاز تحت تأثیر دما و نوع مواد اولیه قرار دارد و در شرایط نامناسب کاهش می‌یابد. همچنین، حجم گاز تولیدشده نسبت به برخی منابع انرژی محدود است و نیاز به زیرساخت مناسب برای ذخیره‌سازی دارد.

واکنش تولید گاز هیدروژن

یکی از رایج‌ترین واکنش‌ها، تجزیه آب از طریق الکترولیز است که در آن جریان الکتریکی، آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. واکنش فلزات فعال مانند روی و آلومینیوم با اسیدهای قوی نیز از دیگر روش‌های رایج تولید هیدروژن است. در این فرآیند، فلز با اسید واکنش داده و هیدروژن آزاد می‌شود. همچنین، واکنش متان با بخار آب در حضور کاتالیزور، یکی از روش‌های صنعتی تولید این گاز محسوب می‌شود.

تولید هیدروژن در ایران

در ایران، هیدروژن بیشتر از طریق اصلاح بخار متان تولید می‌شود. این فرآیند به دلیل دسترسی گسترده به منابع گاز طبیعی، مقرون‌به‌صرفه‌تر از سایر روش‌ها است. تولید هیدروژن از گاز طبیعی یکی از پرکاربردترین روش‌ها در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی ایران محسوب می‌شود. این هیدروژن برای تولید آمونیاک، متانول و فرآیندهای تصفیه سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بااین‌حال، این روش مقدار زیادی دی‌اکسید کربن منتشر می‌کند که تأثیرات زیست‌محیطی دارد.

کدام گزینه بهترین روش است؟

در انتخاب بهترین روش تولید هیدروژن، عواملی مانند هزینه، بازده، اثرات زیست‌محیطی و دسترسی به منابع انرژی باید مدنظر قرار گیرد. روش‌های مختلفی برای تولید هیدروژن وجود داشته که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند.

تولید هیدروژن از گاز طبیعی به دلیل در دسترس بودن منابع گاز، از لحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه است؛ اما منجر به تولید دی‌اکسید کربن می‌شود.راز طرفی، الکترولیز آب یک روش پاک برای تولید هیدروژن شناخته می‌شود؛ اما هزینه بالای انرژی و تجهیزات لازم، چالش‌هایی برای استفاده از این روش ایجاد کرده است.

تحقیقات درباره روش‌های جایگزین و فناوری‌های نوین نیز در حال انجام است. یکی از فناوری‌ها، دستگاه تولید هیدروژن از هوا است که می‌تواند با استفاده از رطوبته موجود در جو، هیدروژن استخراج کند.

اگر کسی از شما بپرسد گاز هیدروژن چگونه تولید می شود ؟ می توانید هر کدام از روش های بالا را توضیح دهید.

 

منابع:

Department of Energy

Alternative Fuels Data Center

(EIA)

Canary Media